空间行波管多级降压收集极仿真程序研究

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1、空间行波管多级降压收集极仿真程序研究冯西贤L2，李实11．中国科学院电子学研究所，中国科学院高功率微波源与技术重点实验室，北京，1001902．中国科学院研究生院，北京，100049摘要：本文主要研究多级降压收集极的电子轨迹仿真并实现结构设计。在EGUN电子枪仿真程序的基础上，经过改进开发轴对称多级降压收集极计算软件，其电子运动为三维仿真。在Windows下开发了友好的用户界面和实现了仿真结果的图形化显示。向用户提供可选择的仿真控制参数，使得软件更加合理，使用更加方便。关键词：空间行波管；多级降压收集极；二次电子1．引言在庞大的行波管家族中，空间行波管由于其工作环

2、境的特殊性，对整管效率的要求很高。目前国外一些型号的空间行波管整管效率已经达到70％以上，国内与此相比还有很大的差距。提高行波管效率主要手段之一是使用多级降压收集极(1)，根据文献(2)，收集极效率和整管效率之间有关系：‰=lLx‰／(1一仇(仇+‰))(1)其中‰为整管效率，仇为电子效率，‰为高频线路效率，仉为收集极效率，‰为管体截获比例。由图1可见，收集极效率对整管效率有很重要的影响。图1收集极效率与整管效率关系不同电子效率的行波管，进入收集极电子束的能量分布密度不同。因此最优化的多级降压收集极的空间尺寸，电压分布，磁场分布都是不一样的。实际制管中需要结合参数

3、要求，进行合理的仿真优化。因此研究多级降压收集极理论模型，为实际制管科研人员开发稳定可用的多级降压收集极仿真软件是一件很有意义的工作。2．多级降压收集极模型多级降压收集的作用就是分类收集能量被离散化了的电子，其物理本质是处于空间电荷力作用下的电子在减速电场中的运动。图2是多级降压收集极的基本物理模型。根据电动力学的知识，第i个电极只可能回收那些能量大于e(Vo—Vt)(Vo为管体电压，Vt为收集极电压)的电子。245管图2收集极基本物理模型收集极效率是考察降压收集极性能的重要参数之一，定义为回收能量(功率)与全部进入收集极能量(功率)之比：‰=乏2iPret2．㈤

4、其中‰为回收电子的能量，‰为全部进入降压收集极的能量；‰为回收功率，匕，为进入多级降压收集极总功率．3．对EGUN仿真程序的改造及运行环境改造1．1对EGUN的改造EGUN源程序采用Fortran编写，最初是SLAC开发并运行于Dos系统的电子枪2．5维电子光学仿真软件【3】。由于收集极具有和电子枪完全不一样的任务，因此需要增加相应的程序模块。首先，需要将宏电子的入口条件按规范化格式附加在仿真程序的输入文件之后。EGUN源程序中，宏电子如果进入阳极边界则立即停止对其仿真，在轴向方向大于某规定值也立即停止仿真，而在其他边界．卜并没有任何设置。而在收集极计算程序中需要

5、设置电子轨迹的仿真范围，判断宏电子是否到达边界，到达何种边界(管体，第几个电极或者是极间的绝缘壁)。二次电子是影响收集极效率的一个重要因素，EGUN源程序中并没有考虑二次电子效应。因此在每条宏电子到达边界后，根据产生二次电子的数学模型【4)(5】，重新产生宏电子，再次进行轨迹计算。使用公共数据块记录每条宏电子(原电子和二次电子)出发和到达的电极，电流大小，能量大小。宏电子仿真结束后统计各极电流大小，热损耗等参数，另外，根据简化了的收集极效率公式计算收集极总效率。程序还开发了多级降压收集极各级电压优化模块，该模块可以根据不同的入口条件和降压级数，计算各级参考优化电压

6、。1．2运行环境改造程序使用C#开发了良好的用户界面，其中边界数据输入界面如图3所示。将仿真程序模块和用户界面模块链接起来形成在Windows下使用的完整的应用程序，还将仿真程序的一些控制参数提供给用户，方便使用时根据需要选择。对用户输入的数据(如边界数据，入口条件，磁场数据等)采用数据库存储，并用c#提供的datagridview工具显示，用户可以方便的在显示网格中直接做修改数据，保存数据，删除数据等操作。界面还提供了计算结果的显示，用户可以观察到各条宏电子的轨迹，计算前后等位线的变化和各级电流，热损耗，收集极效率等统计结果。一{软件的试用计掉为了驰uf：戟什的

7、LrjⅢ竹，我们使埘软件作丁些试汁算，并封计算鲜粜讨论如F．计算-p健川H一形状和人小收H、概挂制，进入收集极电子洼的能对分靠小变管体电压均为10kV。使圳r64条宏Uj-，J旧骱}分布范同存3GOOey到IlOOOel：之州。赴蜜际的制管中，能最特别小的电r0进入收集极ZljU齄被崔伸截欹r，n试LI竹。f-￡所以将宏IU，能甘地fH扩宽，上要是为了榆裔程序的适用性。一斜4为个叫绒降Jf、收蜒搬效果罔，再级电J}、分)¨为7kV，5kV，3kV，lkV：入I1fU子处r理想状态(张一0和批Ii,J^!hj没{r述度)：本敬汁算，}，束加入磁场和考虑二次电r效应。

8、从图t}一